EP3112854A1 - Method and device for the thermomechanical analysis of a sample - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for thermomechanical analysis of a sample according to the preamble of claim 1 and to a device for thermo-mechanical analysis according to the preamble of claim 12.
- Thermomechanical analysis measures one or more mechanical properties of a sample of a material as a function of temperature.
- the material may be z. B. act solid, liquid or pasty material. Often this is z. B. a change in length as a function of temperature and / or time under well-defined mechanical load of the sample is measured, the sample is usually a predetermined time-dependent temperature, ie a "temperature program" is exposed.
- the TMA is often referred to as dilatometry, or when using a modulated temperature program as a temperature-modulated dilatometry.
- a modulated temperature program which means that the time course of the temperature is composed of an underlying, mostly linearly predetermined temperature change corresponding to a “base heating rate”, and from a temperature change overlying, usually sinusoidal ( alternatively conceivable, for example, triangular, rectangular or sawtooth-shaped) predetermined temperature modulation.
- TMA thermo expansion coefficient
- thermomechanical analysis Since, if the sample is subjected to a thermally induced conversion process (eg phase transition, glass transition, sintering process, etc.) during thermomechanical analysis, an immediately measured "total component" of the change in length or coefficient of thermal expansion is composed of a reversible component "and a" non-reversible component ", after determining the" reversible component ", it is also possible simply to determine the" non-reversible component "of the change in length or of the thermal expansion coefficient (by subtracting the reversible component from the total component).
- a thermally induced conversion process eg phase transition, glass transition, sintering process, etc.
- the Fig. 1 to 3 exemplify a composition of a linear temperature change ( Fig. 1 ) and a sinusoidal temperature modulation ( Fig. 2 ) to Realization of a modulated temperature program ( Fig. 3 ).
- Fig. 1 a linear temperature change
- Fig. 2 sinusoidal temperature modulation
- Fig. 3 a modulated temperature program
- the time t is plotted to the right and the temperature T is plotted upwards.
- T 0 denotes an initial temperature and ⁇ the heating rate.
- the heating rate is ⁇ 2.0 K / min. It should be noted that here and also in the description below the invention for the sake of simplicity is always spoken of a heating rate ⁇ , although this heating rate ⁇ can also be specified negative (ie a "cooling rate" accordingly).
- T avg denote a temperature (over the period duration ) averaged
- a T an amplitude of the temperature modulation
- ⁇ a modulation frequency.
- T avg is about -1.2 ° C
- a T is 1.5 K
- ⁇ is about 2.1 min -1 (corresponding to a period of 3.0 min).
- T avg T 0 + ( ⁇ ⁇ t).
- the "thermal expansion coefficient ⁇ " is an important parameter that describes the behavior of a material with respect to changes in its dimensions in the case of temperature changes.
- the thermal expansion coefficient ⁇ (only dependent on the temperature) is a material-specific material constant, which is usually more or less self-temperature dependent.
- thermal expansion coefficient ⁇ 1 L ⁇ ⁇ d L d t
- ⁇ total 1 L total ⁇ ⁇ d L total d t
- a L is the amplitude of the measured modulated changes in length. It can be made of a measuring signal representative of these changes in length z.
- the temperature amplitude in the center of the sample is less than the predetermined temperature amplitude A T at the sample surface (eg, by a user setting). Therefore, the amplitude of the length oscillations of the sample A L is smaller than in the mentioned ideal situation, and the length oscillations are delayed with respect to the temperature oscillations.
- dL total dL rev + dL nonrev .
- dL total can be calculated as a mean (eg averaged over exactly one period) of the time-resolved measured value of dL.
- thermomechanical analysis it is an object of the present invention, in a TMA of the aforementioned and z. B. in the US 6,007,240 described manner to allow the calculation of a corrected reversible component of the change in length and / or a corrected reversible component of the coefficient of thermal expansion for areas in which the sample undergoes a thermally induced transformation process in the thermomechanical analysis.
- the temperature program has a first segment with a first base heating rate and the correction parameter is calculated on the basis of data from the first segment temperature-dependent from an estimate of a temperature-dependent function of said ratio in a region of the first segment, in which the sample is not subject to a thermally induced conversion process, and that the temperature program, a second segment with a z. B. compared to the first base heating rate smaller second base heating rate and for a calculation of the corrected reversible component the change in length and / or the thermal expansion coefficient in the second segment of the calculated using the data from the first segment correction parameter is used.
- the invention is thus based on the idea to calculate the correction parameter including its "temperature dependence" in a suitable (first) segment of the temperature program, and then this calculation result for the determination or calculation of in another (second) segment of the temperature program to be used To use correction parameters. This is possible even if in the second segment the sample is subject to (at least) a thermally induced conversion process.
- the use of the temperature-dependent calculated in the first segment correction parameter can, for. B. be provided in the manner of extrapolation.
- the amount of the second base heating rate is equal to the amount of the first base heating rate. This can be disadvantageous insofar as - due to the temperature change in the course of the second segment - the use there can bring about a certain error in the result of the correction parameter calculation coming from the first segment.
- the absolute value of the second base heating rate is relatively small and / or smaller than the absolute value of the first base heating rate. In extreme cases, even a second heating rate of zero can be provided.
- the first base heating rate is greater than zero (corresponding to a modulated heating of the sample in the first segment).
- the second base heating rate is greater than or equal to zero (corresponding to a modulated heating or modulated temperature maintenance of the sample in the second segment).
- the amount of the first base heating rate is greater than 0.5 K / min, in particular greater than 1 K / min, but this amount z. B. may be less than 100 K / min, in particular less than 50 K / min.
- the amount of the second base heating rate is less than 0.5 K / min, in particular less than 0.2 K / min.
- the amounts of the first base heating rate and the second base heating rate differ by at least a factor of 2, in particular by at least a factor of 5.
- the sample is subject to a thermally induced conversion process within the second segment.
- the temperature of the sample rises in the course of the second segment and exceeds a value of 500 ° C, in particular exceeds a value of 1000 ° C. This is advantageous insofar as many materials can only be expected to undergo thermally induced conversion processes at these relatively high temperatures, which, however, can advantageously be investigated by means of the invention by an appropriate choice of the "second segment".
- a non-reversible component of the change in length is also determined.
- a non-reversible component of the thermal expansion coefficient can also be determined.
- a mathematical estimation function is modeled for the correction parameter calculated on the basis of data from the first segment, which indicates the correction parameter as a function of the temperature of the sample, and that for the calculation of the mathematical estimation function corrected reversible component of the change in length, alternatively or additionally, the corrected reversible component of the thermal expansion coefficient, in the second segment to be used correction parameter is calculated.
- the correction parameter used in the second segment is thus in this case a parameter extrapolated by means of the estimation function from the first to the second segment.
- a plurality of "interpolation points" are used in order to calculate a temperature-dependent estimation function for the correction parameter with relatively high accuracy.
- estimator z. B a linear function or z.
- a polynomial eg, parabola
- the mathematical form of the estimator used in the evaluation of the data is fixed.
- a user-definable or selectable mathematical form may be used.
- the "modeling" of the mathematical estimator can be considered in these cases as a calculation of the respective function parameters (eg by the method of least squares or another fitting algorithm).
- the second segment is located immediately after the first segment in terms of time, or vice versa.
- a Fourier analysis is used to obtain from the measured data a signal representative of the change in length of the sample Averages, amplitudes and phase shifts (with respect to a temperature signal).
- a Fourier analysis has z.
- z. B also considered to accomplish this on the basis of a mean and amplitude determination without Fourier analysis. Averages can be z. B. be calculated as a mathematical mean between immediately adjacent maxima and minima.
- a preferred application of the method according to the invention is the so-called dilatometry, a special type of TMA in which, in the narrower sense, the change in length of a sample under negligible force load is determined (eg force of a maximum of 0.5 N).
- z As an application in the context of a DMA (Dynamic Mechanical Analysis) into consideration.
- the DMA primarily aims to measure a deformation force on a sample as a function of temperature and / or time under defined dynamic mechanical deformation.
- a computer program product comprising a program code which carries out an analysis method of the type described here on a data processing device.
- a computer program product can be used in particular for programming or for sequence control of a control unit contained in the analysis device provided according to the invention.
- Fig. 1 to 3 have already been explained above and illustrate a linear temperature change ( Fig. 1 ), a temperature modulation ( Fig. 2 ), and a modulated temperature program resulting from a combination of these temperature changes ( Fig. 3 ).
- Fig. 4 illustrates the result of a non-inventive thermomechanical analysis according to a first example, in which the in Fig. 3 shown temperature program was used and the sample analyzed consists of a metal, which is subject to the thermo-mechanical analysis, ie here over a temperature range of about 60-110 ° C, no thermally induced conversion process.
- this example corresponds to the example already described Fig. 3 , however, in Fig. 4 as a result of the TMA, in particular the time-dependent curves of the corrected quantities dL rev-corr and ⁇ rev-corr obtained by means of the mentioned correction parameter k are drawn.
- dL nonrev dL total - dL rev-corr .
- the determination of the correction parameter k is completely unproblematic in this example, since the sample is not subject to any thermally induced conversion process in the course of the modulated temperature program.
- the invention aims to calculate a corrected reversible component of the change in length dL rev-corr, and / or a corrected reversible component coefficient of thermal expansion ⁇ rev-corr , even if the sample undergoes a thermally induced transformation process.
- An example of this shows Fig. 5 ,
- Fig. 5 shows the result of a TMA according to the invention (here: Dilatometrie) according to an example in which a modulated temperature program has been used and the sample analyzed consists of a ceramic, in which by a temperature in the range of about 500-600 ° C, a thermally induced conversion process is expected.
- a section of the TMA result for the temperature range of about 350 ° C to 700 ° C is shown.
- a special feature of this example is that the temperature program has a first segment S1 with a first base heating rate ⁇ 1 (here, for example, about 5 K / min), and the correction parameter k is calculated on the basis of data from this first segment S1, and the temperature program has a second segment S2 with a second base heating rate ⁇ 2 (here, for example, about 5 K / min), and for a calculation of the corrected reversible component dL rev-corr the change in length dL in the second segment S2 based on the data from the first segment S1 temperature-dependent calculated correction parameter k is used.
- the correction parameter k calculated in the (for lack of thermally induced conversion process) segment S1 of the temperature program calculated for this purpose is to a certain extent extrapolated into the second segment S2 which adjoins to higher temperatures (and there to calculate the gradients of dL rev-corr and ⁇ rev-corr used).
- a mathematical function describing the temperature-dependent course of the correction parameter k resulting in the first segment S1 is preferably modeled, in order then to insert the temperatures prevailing in the second segment into it Function to obtain the temperature-dependent correction parameter for correction in the second segment S2 (extrapolation). This advantageously permits the correction of the reversible variables also in the second segment S2, although there the sample is subject to the thermally induced conversion process.
- the correction parameter k was calculated by means of the recorded data from the first segment S1 in the form of a temperature-dependent correction estimation function, for example by means of a known fit (for example according to the least squares method or the like). a predetermined mathematical function which indicates the correction parameter k as a function of the temperature T of the sample. By means of this estimation function, the correction parameter k for use in the second segment S2 was then calculated and used to calculate the gradients of dL rev-corr and ⁇ rev-corr (and from this the remaining ones in FIG Fig. 5 shown sizes).
- Fig. 6 and 7 show a further example of a dilatometric analysis of a sample of a ceramic according to the invention.
- Fig. 6 shows the modulated temperature program used, which has a first modulated segment S1 in the time domain of about 100 to 280 min and immediately thereafter a second modulated segment S2 in the time domain of about 280 to 400 min.
- the temperature program has a first base heating rate ⁇ 1 of about 5 K / min, so that the averaged temperature T avg increases linearly from about 315 ° C to about 1225 ° C.
- second base heating rate ⁇ 2 of about 0.1 K / min is provided so that the average temperature T avg, starting from about 1225 ° C (final temperature of the first segment S1) linearly only by about 10 ° C. rises to about 1235 ° C.
- the sample investigated here shows several thermally induced transformation processes, namely at temperatures of around 500 ° C, 945 ° C and 1130 ° C.
- the first two "effects" at 500 ° C and 945 ° C
- the latter effect at 1130 ° C
- the effect starts at about 1130 ° C and does not end at 1225 ° C.
- a correction parameter k was calculated as a function of temperature on the basis of data from the first segment S1, namely in a range of S1 in which no thermal effect occurs, that is, for. B. based on data from the time range of about 100 to 130 minutes, corresponding to a temperature range of about 315 to 470 ° C.
- the correction parameter k was calculated here again in the form of an estimate of the temperature-dependent function of the ratio of the total thermal expansion coefficient ⁇ total and the reversible coefficient of thermal expansion ⁇ rev , these coefficients of expansion being in the range of [100 min, 130 min] and [315 ° C , 470 ° C] directly measured or known data (T avg , ⁇ T, L, dL) were obtained.
- estimation z. B in the simplest case a linear function can be used (change of k proportional to change in temperature). Deviating from this, however, could also be complicated estimators, z. As polynomials at least 2nd degree, can be used.
- the correction parameter k calculated in this way as a temperature-dependent function is advantageously not only used for the intended correction in the range [100 min, 130 min] or [315 ° C, 470 ° C], but (by extrapolation) over the entire modulated one Temperature program, ie [100 min, 400 min] or [315 ° C, 1235 ° C].
- the base heating rate ⁇ 2 used in the second segment S2 could also be zero.
- the second segment S2 (with low heating rate ⁇ 2) could also precede the first segment S1 (with high heating rate ⁇ 1) in which the second segment S2 follows the first segment S1 in terms of time.
- the correction parameter k calculated in the suitable segment (which contains a region without a thermally induced transformation process) of the temperature program can be extrapolated into the temporally preceding (at lower temperatures) second segment S2, where it is used to calculate the gradients of dL revolutions. corr and / or ⁇ rev-corr .
- the temperature-modulated measurements provided according to the invention can advantageously be extended into a relatively high temperature range, e.g. B. up to operationally approached by the temperature program end temperatures of T avg greater than 1000 ° C, in particular greater than 2000 ° C, so that a possible application z. B. is the analysis or characterization of the sintering behavior of ceramics.
- a calibration of the measurement of reversible material parameters (such as dL rev and ⁇ rev ) performed for a dynamic segment ( ⁇ ⁇ 0) of the temperature program by means of a correction parameter k can be advantageous for one or more other segments, in particular z.
- Fig. 8 1 shows an embodiment of an apparatus 10 for carrying out an analysis method of the type described here.
- the apparatus 10 is used in this example in the context of a thermomechanical analysis (TMA) (Alternatively, the apparatus 10 could also be in a DMA (Dynamic Mechanical Analysis) mode, So with variable power preload, operated).
- TMA thermomechanical analysis
- DMA Dynamic Mechanical Analysis
- Fig. 8 Part of the device components are in Fig. 8 shown in dashed lines, namely a sample holder 1 in a controlled temperature oven 3 for storage and controllable temperature control of a sample P, at which the TMA measurement is performed.
- the change in length (in this case, for example, resulting from a temperature-modulated heating or cooling of the sample P in the furnace 3) is measured in a direction which is referred to below as the longitudinal direction and in FIG Fig. 8 indicated by the double arrow A.
- the sample P is subjected to a predetermined constant small force load (eg, about 0.1 N), which also acts on the sample P in the longitudinal direction A.
- the sample P received by the sample holder 1 is tempered according to a modulated temperature program (eg of the type already described) and the force exerted on the sample is regulated to a predetermined constant value.
- a modulated temperature program eg of the type already described
- the device 10 comprises a feeler punch 12, which exerts on the sample P the predetermined force (here: pressure force) during the measurement with a feeler end 14.
- the material of the Fsselstkovs should have the lowest possible or at least well-defined thermal expansion in this application, so that this thermal expansion affects the measurement result little or can be considered accordingly within a control program and / or a subsequent evaluation. The same applies to the material of the feeler recording.
- control device ST is connected to corresponding device components via control lines L1, L2, L3 and L4.
- the line L1 serves to transmit a temperature control signal to the furnace 3 or a tempering device integrated therein (eg electric heater).
- the line L2 serves to transmit a force-measuring signal (measured value of the force exerted on the sample P) from the force-measuring device 32 to the control device ST.
- the line L3 is used to transmit a drive control signal to the drive means 30.
- the line L4 is used to transmit an output from the position sensor 34 Wegmesssignals.
- the z. B. transmitted over the line L1 time-dependent temperature signal (representative of the temperature T) as well as the transmitted over the line L4 time-dependent length change signal (representative of z., For the absolute change in length dL) is stored in the control device ST to a corresponding evaluation after completion of the measurement.
- the control device ST controls the force exerted on the sample P by means of the feeler plunger 12 by means of a control of the drive device 30.
- the feeler temple 12 is attached to the feeler stamp base 26 by means of the screw clamp 28, so that a corresponding loading or adjustment of the feeler temple receptacle 26 is transmitted directly to the feeler temple 12 and thus further to the sample P.
- the feeler stamp receiver 26 is not driven directly by the drive device 30. Rather, the Fsselstkovitisation 26 as in Fig. 8 can be seen connected to a in the figure upper end of an elastic body 32-1 (here: screwed), whose in Fig. 8 lower end connected to a carriage 24-1 of the guide means 24 (here: screwed), which in the longitudinal direction A moved to a guide rail 24-2 guided the guide means 24 and by means of a push rod 30-1 of the drive means 30 is moved accordingly. The end of the push rod 30-1 is screwed to the slide 24-1 as seen in the figure.
- an elastic body 32-1 here: screwed
- a carriage 24-1 of the guide means 24 here: screwed
- an activation of the drive device 30, which in the example illustrated contains a piezo stepping motor controlled via the line L3, initially causes a displacement of the push rod 30-1 and thus of the carriage 24-1 in the longitudinal direction A. Via the elastic body 32-1 this becomes Carriage movement via the Fsselstempelability 26 and the feeler 12 converted into a corresponding force or force change to the sample P.
- the unit formed from the carriage 24-1, the feeler stem receiver 26, and the elastic body 32-1 interposed therebetween may also be referred to as a drivable "feeler stamp base” attached to the stationary base 22 via the guide means 24 in the longitudinal direction A relative to the stationary base 22 is movably mounted and on which the feeler 12 is attached (or fastened).
- the feeler stamp base 24-1, 26, 32-1 is driven in the longitudinal direction A relative to the stationary base 22 as explained by the controllable drive device 30.
- the elastic body 32-1 forms the force measuring device 32 together with a strain gauge (not shown in the figure) connected to the line L2 (for example, attached to an outer surface of the elastic body 32-1).
- a z. B. be used at least in a central area recessed material, as in Fig. 8 dashed symbolizes (here: circular recess in a cuboid body). Deviating from z. B. also be provided in each case a plurality of smaller such recesses of the elastic body.
- the actual force exerted on the sample P force is measured as a function of time during the measurement and preferably as an analog / digital converted signal via the line L2 of the control device ST fed (or in the control device analog / digital converted) ,
- the controller ST is also the z. B. by a corresponding user input predetermined force load, d. H. the force to be applied to the sample P ("target value") is stored.
- the measured "actual value” of the force is controlled by appropriate control of the drive means 30 to the predetermined by the predetermined force load "target value".
- a friction which is unavoidable in practice in the region of the guide device 24 (between the slide 24-1 and the guide rail 24-2) does not lead to a corresponding falsification of the force measurement.
- the simultaneous measurement carried out the change in length of the sample P in the illustrated embodiment does not lead to a distortion of the force measurement.
- the measurement of the change in length is realized as follows: A scale carrier 34-1 with a trained therefrom or in the example shown attached thereto (for example, the movement in the longitudinal direction A corresponds to the change in length of the sample P to be measured Glued scale) 34-2 attached so that the change in length of the sample P transmits in a corresponding displacement of the scale 34-2, which can thus be measured in a simple manner.
- the displacement transducer 34 further comprises a stationary held optical sensor 34-3 for measuring the relative displacement between this sensor 34-3 and the scale 34-2.
- the scale 34-2 is z. B. provided with equidistant over its length distributed bar marks or formed, which are detected when passing the scale 34-2 by means of the optical sensor 34-3 and connected thereto (or integrated therein) linear encoder electronics to a for the change in length of the sample P. to obtain a representative measurement signal (the number of detected markings is a measure of the change in length).
- This measurement signal is supplied via the line L4 to the control device ST and stored there digitally for later evaluation as a time-dependent sample length signal.
- the linear encoder electronics can z. B. in the region of the optical sensor 34-3 or alternatively be arranged in the region of the control device ST.
- the stationary holding of the optical sensor 34-3 is accomplished in the example shown by a holder 34-4, which on the one hand connected to the sensor 34-3 (here: screwed) and on the other hand connected to the base 22 (here: screwed).
- the illustrated device 10 can thus be advantageously measured in a TMA analysis, the change in length of the predetermined force in the longitudinal direction A sample P, wherein the resulting from the change in length of the sample P in the longitudinal direction A movement of the feeler 12 is measured without contact, wherein driving the feeler stamp base 24 - 1, 26, 32 - 1, to which the feeler punch 12 is attached, takes place in the longitudinal direction A relative to the stationary base 22, and this driving by means of the control software depends on the pressure exerted on the sample P by the feeler 12 Force detected by the force measuring device 32 according to the predetermined force load takes place (force control).
- the recorded data are subjected to an evaluation in order to determine temperature-dependent profiles of the reversible and non-reversible components of the change in length dL (or dL / L) or of the thermal expansion coefficient ⁇ .
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermomechanischen Analyse einer Probe (P) eines Materials, umfassend (a) Anordnen der Probe (P) in einer thermomechanischen Analyseeinrichtung (10) und Temperieren der Probe (P) mittels der Analyseeinrichtung gemäß eines modulierten Temperaturprogrammes, (b) Aufzeichnen von mittels der Analyseeinrichtung gewonnener Daten, die repräsentativ für eine Längenänderung (dL) der Probe (P) im Verlauf der Temperierung sind, (c) Auswerten der Daten, um eine reversible Komponente (dL rev ) der Längenänderung (dL) und/oder eine reversible Komponente (± rev ) des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (±) der Probe (P) zu ermitteln, (d) Berechnen einer korrigierten reversiblen Komponente (dL rev-corr ; ± rev-corr ) der Längenänderung (dL) und/oder des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (±) mittels eines Korrekturparameters (k), der unter Verwendung eines aus den Daten ermittelten Verhältnisses eines eine totale Längenänderung (dL total ) charakterisierenden Parameters (± total ) und eines die reversible Komponente (dL rev ) der Längenänderung (dL) charakterisierenden Parameters (± rev ) berechnet wird. Erfindungsgemäß besitzt das Temperaturprogramm ein erstes Segment (S1) mit einer ersten Basisheizrate (²1) und wird der Korrekturparameter (k) anhand von Daten aus dem ersten Segment (S1) temperaturabhängig aus einer Schätzung einer temperaturabhängigen Funktion des genannten Verhältnisses in einem Bereich des ersten Segmentes (S1) berechnet, in welchem die Probe (P) keinem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt, wobei das Temperaturprogramm ein zweites Segment (S2) mit einer z. B. gegenüber der ersten Basisheizrate (²1) kleineren zweiten Basisheizrate (²2) besitzt und für eine Berechnung der korrigierten reversiblen Komponente (dL rev-corr ; ± rev-corr ) der Längenänderung (dL) und/oder des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (±) im zweiten Segment (S2) der anhand der Daten aus dem ersten Segment (S1) berechnete Korrekturparameter (k) verwendet wird.The invention relates to a method for the thermomechanical analysis of a sample (P) of a material, comprising (a) arranging the sample (P) in a thermomechanical analysis device (10) and tempering the sample (P) by means of the analysis device according to a modulated temperature program (b ) Recording data obtained by means of the analyzer which are representative of a change in length (dL) of the sample (P) in the course of tempering, (c) evaluating the data to obtain a reversible component (dL rev) of the change in length (dL) and / or a reversible component (± rev) of the thermal expansion coefficient (±) of the sample (P), (d) calculating a corrected reversible component (dL rev-corr; ± rev-corr) of the change in length (dL) and / or coefficient of thermal expansion (±) by means of a correction parameter (k) obtained by using a ratio of a total change in length (dL total) determined from the data arakterisierenden parameter (± total) and a reversible component (dL rev) of the change in length (dL) characterizing parameter (± rev) is calculated. According to the invention, the temperature program has a first segment (S1) with a first base heating rate (²1) and the correction parameter (k) becomes temperature-dependent on data from the first segment (S1) from an estimate of a temperature-dependent function of said ratio in a region of the first segment (S1) is calculated, in which the sample (P) is not subject to a thermally induced conversion process, wherein the temperature program, a second segment (S2) with a z. B. relative to the first Basisheizrate (²1) smaller second base heating rate (²2) and for a calculation of the corrected reversible component (dL rev-corr; ± rev-corr) of the change in length (dL) and / or the coefficient of thermal expansion (±) im second segment (S2) of the calculated using the data from the first segment (S1) correction parameter (k) is used.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermomechanischen Analyse einer Probe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur thermomechanischen Analyse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.The present invention relates to a method for thermomechanical analysis of a sample according to the preamble of
Bei einer thermomechanischen Analyse, oftmals auch als TMA ("thermomechanical analysis") bezeichnet, werden eine oder mehrere mechanische Eigenschaften einer Probe eines Materials in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen.Thermomechanical analysis, often referred to as TMA ("thermomechanical analysis"), measures one or more mechanical properties of a sample of a material as a function of temperature.
Bei dem Material kann es sich z. B. um Feststoff, Flüssigkeit oder pastöses Material handeln. Oftmals wird hierbei z. B. eine Längenänderung als Funktion der Temperatur und/oder Zeit unter wohldefinierter mechanischer Belastung der Probe gemessen, wobei die Probe üblicherweise einer vorbestimmt-zeitabhängigen Temperatur, also einem "Temperaturprogramm" ausgesetzt wird.The material may be z. B. act solid, liquid or pasty material. Often this is z. B. a change in length as a function of temperature and / or time under well-defined mechanical load of the sample is measured, the sample is usually a predetermined time-dependent temperature, ie a "temperature program" is exposed.
Insbesondere im Fall einer praktisch vernachlässigbaren (relativ kleinen), z. B. nur durch die Verwendung eines Fühlstempels oder dergleichen zur Messung der Längenänderung bedingten mechanischen Belastung der Probe wird die TMA oftmals als Dilatometrie bezeichnet, bzw. bei Einsatz eines modulierten Temperaturprogrammes als temperaturmodulierte Dilatometrie.In particular, in the case of a practically negligible (relatively small), z. B. only by the use of a Fühlstempels or the like for measuring the change in length-related mechanical stress of the sample, the TMA is often referred to as dilatometry, or when using a modulated temperature program as a temperature-modulated dilatometry.
Bei einer TMA der hier interessierenden Art wird ein "moduliertes Temperaturprogramm" verwendet, was bedeutet, dass der zeitliche Verlauf der Temperatur sich zusammensetzt aus einer zugrundeliegenden, zumeist linear vorgegebenen Temperaturänderung entsprechend einer "Basisheizrate", und aus einer diese Temperaturänderung überlagernden, zumeist sinusförmig (alternativ denkbar z. B. dreieck-, rechteck- oder sägezahnförmig) vorgegebenen Temperaturmodulation.In a TMA of the type of interest here, a "modulated temperature program" is used, which means that the time course of the temperature is composed of an underlying, mostly linearly predetermined temperature change corresponding to a "base heating rate", and from a temperature change overlying, usually sinusoidal ( alternatively conceivable, for example, triangular, rectangular or sawtooth-shaped) predetermined temperature modulation.
Ein wichtiges Ziel einer TMA der hier interessierenden Art ist es, für das Material der Probe zumindest eine "reversible Komponente" der (temperaturänderungsbedingten) Längenänderung und/oder insbesondere z. B. eine reversible Komponente des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu ermitteln.An important goal of a TMA of the type of interest here is, for the material of the sample, at least one "reversible component" of the (change in temperature-related) change in length and / or in particular z. B. to determine a reversible component of the thermal expansion coefficient.
Da sich, falls die Probe bei der thermomechanischen Analyse einem thermisch bedingten Umwandlungsprozess (z. B. Phasenübergang, Glasübergang, Sinterprozess etc.) unterliegt, eine unmittelbar gemessene "totale Komponente" der Längenänderung bzw. des thermischen Ausdehnungskoeffizienten additiv zusammensetzt aus einer "reversiblen Komponente" und einer "nichtreversiblen Komponente", lässt sich nach Bestimmung der "reversiblen Komponente" auch einfach die "nichtreversible Komponente" der Längenänderung bzw. des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ermitteln (durch Subtraktion der reversiblen Komponente von der totalen Komponente).Since, if the sample is subjected to a thermally induced conversion process (eg phase transition, glass transition, sintering process, etc.) during thermomechanical analysis, an immediately measured "total component" of the change in length or coefficient of thermal expansion is composed of a reversible component "and a" non-reversible component ", after determining the" reversible component ", it is also possible simply to determine the" non-reversible component "of the change in length or of the thermal expansion coefficient (by subtracting the reversible component from the total component).
Die temperaturabhängige Bestimmung und Charakterisierung von Schrumpfungs- oder Ausdehnungseffekten der Probe bzw. des Einflusses derartiger Effekte auf die Längenänderung bzw. den thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist in der Praxis oftmals ein "Hauptziel" der TMA.The temperature-dependent determination and characterization of shrinkage or expansion effects of the sample or of the influence of such effects on the change in length or the coefficient of thermal expansion is often a "main goal" of TMA in practice.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur thermomechanischen Analyse ist beispielsweise in der
- a) Anordnen der Probe in einer thermomechanischen Analyseeinrichtung und Temperieren der Probe mittels der Analyseeinrichtung gemäß eines modulierten Temperaturprogrammes,
- b) Aufzeichnen von mittels der Analyseeinrichtung gewonnener Daten, die repräsentativ für eine Längenänderung der Probe im Verlauf der Temperierung sind,
- c) Auswerten der Daten, um eine reversible Komponente der Längenänderung und/oder eine reversible Komponente des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Probe zu ermitteln,
- d) Berechnen einer korrigierten reversiblen Komponente der Längenänderung mittels eines Korrekturparameters, der als das Verhältnis einer totalen Längenänderung und einer reversiblen Komponente der Längenänderung berechnet wird.
- a) arranging the sample in a thermomechanical analysis device and tempering the sample by means of the analysis device according to a modulated temperature program,
- b) recording data obtained by means of the analysis device, which are representative of a change in length of the sample during the course of the temperature control,
- c) evaluating the data to determine a reversible component of the change in length and / or a reversible component of the thermal expansion coefficient of the sample,
- d) calculating a corrected reversible component of the change in length using a correction parameter calculated as the ratio of a total change in length and a reversible component of the change in length.
Die
Bei einer damit durchgeführten TMA können sämtliche Parameter des modulierten Temperaturprogrammes (hier also: To, β, AT und ω) z. B. dem konkreten Anwendungsfall angepasst von einem Benutzer definiert (voreingestellt) werden.In a TMA carried out with it all parameters of the modulated temperature program (here: To, β, A T and ω) z. B. the specific application adapted by a user defined (default).
Auch bei einem modulierten Temperaturprogramm lässt sich eine (über die Periodendauer) gemittelte Temperatur Tavg angeben. Für diese gilt: Tavg = T0 + (β × t). Damit lässt sich das modulierte Temperaturprogramm auch wie folgt beschreiben: T = Tavg + AT × sin (ωt).Even with a modulated temperature program, it is possible to specify a temperature T avg (over the period duration ). For these, T avg = T 0 + (β × t). Thus, the modulated temperature program can also be described as follows: T = T avg + A T * sin (.omega.t).
Definiert man zur Beschreibung der modulationsbedingten "Temperaturoszillationen" eine Temperaturabweichung ΔT = AT × sin (ωt), so lässt sich das modulierte Temperaturprogramm schließlich auch wie folgt beschreiben: T = Tavg + ΔT.If we define to describe the modulation-induced 'temperature oscillations "a temperature deviation AT = A T × sin (.omega.t), then the modulated temperature program can finally also be described as follows: T = T avg + .DELTA.T.
Der "thermische Ausdehnungskoeffizient α" ist ein wichtiger Kennwert, der das Verhalten eines Materials bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschreibt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient α (nur abhängig von der Temperatur) ist eine stoffspezifische Materialkonstante, die in der Regel mehr oder weniger stark selbst temperaturabhängig ist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient α wird hier im Sinne eines Längenausdehnungskoeffizienten (im Unterschied zum oftmals auch verwendeten thermischen Raumausdehnungskoeffizienten γ) verstanden, und ist die Proportionalitätskonstante zwischen der Temperaturänderung dT und der (reversiblen) relativen Längenänderung dUL des Materials: dL/L = α × dT. Es gilt demnach:
In der Situation gemäß
Daraus lässt sich der thermische Ausdehnungskoeffizient α wie folgt bestimmen:
Der in
In der Situation gemäß
Daraus lässt sich der thermische Ausdehnungskoeffizient αtotal aus dem dLtotal wie folgt bestimmen:
Der in
In der Situation gemäß
Das ist korrekt jedoch nur für eine "ideale" Situation, in welcher die Probentemperatur in jedem Punkt der Probe gleich groß ist, also insbesondere z. B. im Zentrum und auf der Oberfläche der Probe. Das ist in der Praxis jedoch nicht der Fall, da es voraussetzen würde, dass die Modulationfrequenz ω unendlich klein oder die Temperaturleitfäigkeit des Probenmaterials unendlich groß wäre.This is correct, however, only for an "ideal" situation in which the sample temperature in each point of the sample is the same size, ie in particular z. In the center and on the surface of the sample. However, this is not the case in practice since it would presuppose that the modulation frequency ω would be infinitely small or the temperature conductivity of the sample material infinitely large.
Definiert man zur Beschreibung der modulationsbedingten "Längenoszillationen" eine Amplitude der Längenänderung als AL, so gilt:
AL ist die Amplitude der gemessenen modulierten Längenänderungen. Sie kann aus einem für diese Längenänderungen repräsentativen Messsignal z. B. durch eine Fourier-Analyse (z. B. "Fast Fourier Transformation") berechnet werden.A L is the amplitude of the measured modulated changes in length. It can be made of a measuring signal representative of these changes in length z. B. by a Fourier analysis (eg., "Fast Fourier Transformation") are calculated.
Daraus lässt sich der (reversible) thermische Ausdehnungskoeffizient αrev aus der oszillierenden Komponente des Messignales theoretisch für ideale Situation wie folgt bestimmen:
In der Praxis ergibt sich jedoch das auch im Beispiel von
So kommt in der Praxis aufgrund der nicht unendlich raschen Wärmeleitung von Wärme in die Probe hinein und aus der Probe heraus z. B. zu einem "Nachhinken" der Probentemperatur, die in
In der Realität ist die Temperaturamplitude im Zentrum der Probe kleiner als die (z. B. durch einen Benutzer durch entsprechende Einstellung) vorgegebene Temperaturamplitude AT an der Probenoberfläche. Deshalb ist die Amplitude der Längenoszillationen der Probe AL kleiner als in der erwähnten idealen Situation, und die Längenoszillationen sind verspätet bezüglich der Temperaturoszillationen. Für reale Modulationen ist ein frequenzabhängiger komplexer Kalibrierungskoeffizient (Korrekturkoeffizient) k notwendig, um den korrigierten reversiblen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αrev-corr zu erhalten:
Falls ein moduliertes Temperaturprogramm (z. B. der in
Im Allgemeinen, und insbesondere falls die Probe bei der Temperatur bzw. Temperaturänderung im Verlauf der thermomechanischen Analyse einem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt, besitzt eine (unmittelbar gemessene) "totale" Längenänderung dLtotal eine "reversible" Komponente dLrev und eine "nichtreversible" Komponente dLnonrev, und es gilt: dLtotal = dLrev + dLnonrev.In general, and in particular if the sample is subject to a thermally-induced transformation process at the temperature or temperature change in the course of thermomechanical analysis, have a (directly measured) "total" length change dL total a "reversible" component dL rev and a "non-reversible" component dL nonrev , and the following applies: dL total = dL rev + dL nonrev .
dLtotal kann berechnet werden als ein (z. B. über genau eine Periode gemittelter) Mittelwert des zeitaufgelöst gemessenen Wertes von dL.dL total can be calculated as a mean (eg averaged over exactly one period) of the time-resolved measured value of dL.
dLrev kann berechnet werden als
Dementsprechend besitzt ein bei Betrachtung von dLtotal unmittelbar erhältlicher "totaler" thermischer Ausdehnungskoeffizient αtotal eine "reversible" Komponente αrev und eine "nichtreversible" Komponente αnonrev, und es gilt: αtotal = αrev + αnonrev.Accordingly, a total immediately available when viewed from dL "total" thermal expansion coefficient α has a total "reversible" component α rev and a "non-reversible" component nonrev α, and: α total = α + α nonrev rev.
In den
Unter der Voraussetzung, dass die Probe bei der thermomechanischen Analyse keinem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt (αtotal = αrev-corr), lässt sich der Korrekturparameter k aus Formel (1) und (3) berechnen als der Quotient aus dem "totalen Ausdehnungskoeffizienten" αtotal, der eine "totale gemittelte Längenänderung" ΔLavg (betrachtet über eine relativ große Temperaturänderung ΔTavg) charakterisiert, und dem "reversiblen Ausdehnungskoeffizienten" αrev, der eine "reversible Komponente dLrev der Längenänderung" dL (betrachtet über eine relativ kleine Temperaturänderung dT) charakterisiert:
Die zur Bestimmung des Korrekturparameters k benötigten Größen αtotal und αrev sind wie folgt erhältlich:
Mittels des in dieser Weise ermittelten Korrekturparameters k lässt sich somit vorteilhaft eine korrigierte reversible Komponente dLrev-corr der Längenänderung dL bzw. eine korrigierte reversible Komponente αrev-corr des (reversiblen) thermischen Ausdehnungskoeffizienten αrev berechnen (vgl. obige Formel 4).By means of the correction parameter k determined in this way, it is thus advantageously possible to calculate a corrected reversible component dL rev-corr of the change in length dL or a corrected reversible component αrev-corr of the (reversible) thermal expansion coefficient αrev (compare the above formula 4).
Diese Methode scheitert jedoch, falls die Probe im Verlauf des modulierten Temperaturprogrammes einem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt.However, this method fails if the sample undergoes a thermally induced transformation process during the modulated temperature program.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer TMA der eingangs genannten und z. B. in der
Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass das Temperaturprogramm ein erstes Segment mit einer ersten Basisheizrate besitzt und der Korrekturparameter anhand von Daten aus dem ersten Segment temperaturabhängig aus einer Schätzung einer temperaturabhängigen Funktion des genannten Verhältnisses in einem Bereich des ersten Segmentes berechnet wird, in welchem die Probe keinem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt, und dass das Temperaturprogramm ein zweites Segment mit einer z. B. gegenüber der ersten Basisheizrate kleineren zweiten Basisheizrate besitzt und für eine Berechnung der korrigierten reversiblen Komponente der Längenänderung und/oder des thermischen Ausdehnungskoeffizienten im zweiten Segment der anhand der Daten aus dem ersten Segment berechnete Korrekturparameter verwendet wird.This object is achieved in the method according to the invention in that the temperature program has a first segment with a first base heating rate and the correction parameter is calculated on the basis of data from the first segment temperature-dependent from an estimate of a temperature-dependent function of said ratio in a region of the first segment, in which the sample is not subject to a thermally induced conversion process, and that the temperature program, a second segment with a z. B. compared to the first base heating rate smaller second base heating rate and for a calculation of the corrected reversible component the change in length and / or the thermal expansion coefficient in the second segment of the calculated using the data from the first segment correction parameter is used.
Der Erfindung liegt somit die Idee zugrunde, den Korrekturparameter einschließlich seiner "Temperaturabhängigkeit" in einem hierfür geeigneten (ersten) Segment des Temperaturprogrammes zu berechnen, und dieses Berechnungsergebnis sodann für die Bestimmung bzw. Berechnung des in einem anderen (zweiten) Segment des Temperaturprogrammes zu verwendenden Korrekturparameters zu nutzen. Dies ist selbst dann möglich, wenn im zweiten Segment die Probe (wenigstens) einem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt.The invention is thus based on the idea to calculate the correction parameter including its "temperature dependence" in a suitable (first) segment of the temperature program, and then this calculation result for the determination or calculation of in another (second) segment of the temperature program to be used To use correction parameters. This is possible even if in the second segment the sample is subject to (at least) a thermally induced conversion process.
Die Nutzung des im ersten Segment temperaturabhängig berechneten Korrekturparameters kann z. B. nach Art einer Extrapolation vorgesehen sein.The use of the temperature-dependent calculated in the first segment correction parameter can, for. B. be provided in the manner of extrapolation.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Betrag der zweiten Basisheizrate gleich dem Betrag der ersten Basisheizrate ist. Dies kann insofern von Nachteil sein, als - bedingt durch die Temperaturänderung im Verlauf des zweiten Segmentes - die dortige Nutzung das aus dem ersten Segment stammenden Ergebnisses der Korrekturparameterberechnung einen gewissen Fehler mit sich bringen kann.In one embodiment, it is provided that the amount of the second base heating rate is equal to the amount of the first base heating rate. This can be disadvantageous insofar as - due to the temperature change in the course of the second segment - the use there can bring about a certain error in the result of the correction parameter calculation coming from the first segment.
In einer diesbezüglich anderen Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass der Betrag der zweiten Basisheizrate absolut betrachtet relativ klein und/oder kleiner als der Betrag der ersten Basisheizrate ist. Im Extremfall kann sogar eine zweite Heizrate von Null vorgesehen werden.In another embodiment, it is therefore provided that the absolute value of the second base heating rate is relatively small and / or smaller than the absolute value of the first base heating rate. In extreme cases, even a second heating rate of zero can be provided.
Damit kann auch vor dem Hintergrund, dass der Korrekturparameter im allgemeinen temperaturabhängig ist, die vorerwähnte Verfälschung vermieden werden.Thus, even against the background that the correction parameter is generally temperature-dependent, the aforementioned falsification can be avoided.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Basisheizrate größer als Null ist (entsprechend einer modulierten Aufheizung der Probe im ersten Segment).In one embodiment, it is provided that the first base heating rate is greater than zero (corresponding to a modulated heating of the sample in the first segment).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite Basisheizrate größer oder gleich Null ist (entsprechend einer modulierten Aufheizung bzw. modulierten Temperaturkonstanthaltung der Probe im zweiten Segment).In one embodiment, it is provided that the second base heating rate is greater than or equal to zero (corresponding to a modulated heating or modulated temperature maintenance of the sample in the second segment).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Betrag der ersten Basisheizrate größer als 0,5 K/min, insbesondere größer als 1 K/min ist, wobei dieser Betrag jedoch z. B. kleiner als 100 K/min, insbesondere kleiner als 50 K/min sein kann.In one embodiment, it is provided that the amount of the first base heating rate is greater than 0.5 K / min, in particular greater than 1 K / min, but this amount z. B. may be less than 100 K / min, in particular less than 50 K / min.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Betrag der zweiten Basisheizrate kleiner als 0,5 K/min, insbesondere kleiner als 0,2 K/min ist.In one embodiment, it is provided that the amount of the second base heating rate is less than 0.5 K / min, in particular less than 0.2 K / min.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beträge der ersten Basisheizrate und der zweiten Basisheizrate sich um mindestens einen Faktor 2, insbesondere mindestens um einen Faktor 5, voneinander unterscheiden.In one embodiment, it is provided that the amounts of the first base heating rate and the second base heating rate differ by at least a factor of 2, in particular by at least a factor of 5.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Probe innerhalb des zweiten Segmentes einem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt.In one embodiment, it is provided that the sample is subject to a thermally induced conversion process within the second segment.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Temperatur der Probe im Verlauf des zweiten Segmentes ansteigt und einen Wert von 500 °C überschreitet, insbesondere einen Wert von 1000 °C überschreitet. Dies ist insofern vorteilhaft, als bei vielen Materialien erst bei diesen relativ hohen Temperaturen mit thermisch bedingten Umwandlungsprozessen zu rechnen ist, die jedoch mittels der Erfindung durch eine entsprechende Wahl des "zweiten Segmentes" vorteilhaft untersucht werden können.In one embodiment, it is provided that the temperature of the sample rises in the course of the second segment and exceeds a value of 500 ° C, in particular exceeds a value of 1000 ° C. This is advantageous insofar as many materials can only be expected to undergo thermally induced conversion processes at these relatively high temperatures, which, however, can advantageously be investigated by means of the invention by an appropriate choice of the "second segment".
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass beim Auswerten der Daten ferner eine nichtreversible Komponente der Längenänderung ermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine nichtreversible Komponente des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ermittelt werden.In one embodiment, it is provided that, when evaluating the data, a non-reversible component of the change in length is also determined. Alternatively or additionally, a non-reversible component of the thermal expansion coefficient can also be determined.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für den anhand von Daten aus dem ersten Segment berechneten Korrekturparameter eine mathematische Schätzfunktion modelliert wird, welche den Korrekturparameter in Abhängigkeit von der Temperatur der Probe angibt, und dass anhand der mathematischen Schätzfunktion der für eine Berechnung der korrigierten reversiblen Komponente der Längenänderung, alternativ oder zusätzlich der korrigierten reversiblen Komponente des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, im zweiten Segment zu verwendende Korrekturparameter berechnet wird. Der im zweiten Segment verwendete Korrekturparameter ist in diesem Fall also ein mittels der Schätzfunktion aus dem ersten in das zweite Segment extrapolierter Parameter.In one embodiment, it is provided that a mathematical estimation function is modeled for the correction parameter calculated on the basis of data from the first segment, which indicates the correction parameter as a function of the temperature of the sample, and that for the calculation of the mathematical estimation function corrected reversible component of the change in length, alternatively or additionally, the corrected reversible component of the thermal expansion coefficient, in the second segment to be used correction parameter is calculated. The correction parameter used in the second segment is thus in this case a parameter extrapolated by means of the estimation function from the first to the second segment.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei der Berechnung der Schätzfunktion mehrere "Stützpunkte" (bevorzugt wenigstens 2, insbesondere wenigstens 5) herangezogen werden, um damit eine temperaturabhängige Schätzfunktion für den Korrekturparameter mit relativ hoher Genauigkeit zu berechnen.In an embodiment, it is provided that in the calculation of the estimation function a plurality of "interpolation points" (preferably at least 2, in particular at least 5) are used in order to calculate a temperature-dependent estimation function for the correction parameter with relatively high accuracy.
Als Schätzfunktion kommt z. B. eine lineare Funktion oder z. B. ein Polynom (z. B. Parabel) in Betracht.As estimator z. B. a linear function or z. For example, consider a polynomial (eg, parabola).
In einer Ausführungsform ist die mathematische Form der beim Auswerten der Daten eingesetzten Schätzfunktion fest vorgegeben. Alternativ kann eine vom Benutzer vorgebbare oder auswählbare mathematische Form verwendet werden. Die "Modellierung" der mathematischen Schätzfunktion kann in diesen Fällen als Berechnung der betreffenden Funktionsparameter betrachtet werden (z. B. durch die Methode der "kleinsten Fehlerquadrate" oder einen anderen Anpassungsalgorithmus).In one embodiment, the mathematical form of the estimator used in the evaluation of the data is fixed. Alternatively, a user-definable or selectable mathematical form may be used. The "modeling" of the mathematical estimator can be considered in these cases as a calculation of the respective function parameters (eg by the method of least squares or another fitting algorithm).
Beim Übergang von einem z. B. dynamischen (β≠0) ersten Segment zu einem unmittelbar benachbarten zweiten, z. B isothermen (β=0) Segment, oder umgekehrt, tritt vorteilhaft keine Unstetigkeitsstelle im temperaturabhängigen Verlauf des berechneten Korrekturparameters (und folglich auch nicht im Verlauf der berechneten reversiblen Größen dLrev bzw. αrev) auf.When passing from a z. B. dynamic (β ≠ 0) first segment to an immediately adjacent second, z. B isothermal (β = 0) segment, or vice versa, advantageously no discontinuity occurs in the temperature-dependent course of the calculated correction parameter (and consequently also not in the course of the calculated reversible variables dL rev or α rev ).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Verlauf des Temperaturprogrammes das zweite Segment zeitlich betrachtet unmittelbar nach dem ersten Segment liegt, oder umgekehrt.In one embodiment, it is provided that, in the course of the temperature program, the second segment is located immediately after the first segment in terms of time, or vice versa.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Fourier-Analyse angewandt, um aus den gemessenen Daten betreffend ein für die Längenänderung der Probe repräsentatives Signal Mittelwerte, Amplituden und Phasenverschiebungen (bezüglich eines Temperatursignals) zu ermitteln. Eine Fourier-Analyse hat z. B. den Vorteil, dass Einflüsse eines Signalrauschens nicht berücksichtigt werden.In a preferred embodiment, a Fourier analysis is used to obtain from the measured data a signal representative of the change in length of the sample Averages, amplitudes and phase shifts (with respect to a temperature signal). A Fourier analysis has z. B. the advantage that influences of a signal noise are not taken into account.
Um Mittelwerte, Amplituden und Phasenverschiebungen zu ermitteln, kommt jedoch alternativ z. B. auch in Betracht, dies auf Basis einer Mittelwert- und Amplitudenermittlung ohne Fourier-Analyse zu bewerkstelligen. Mittelwerte können hierbei z. B. als mathematischer Mittelwert zwischen unmittelbar benachbarten Maxima und Minima berechnet werden.In order to determine mean values, amplitudes and phase shifts, however, alternatively z. B. also considered to accomplish this on the basis of a mean and amplitude determination without Fourier analysis. Averages can be z. B. be calculated as a mathematical mean between immediately adjacent maxima and minima.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die so genannte Dilatometrie, einer speziellen Art der TMA, bei welcher nämlich im engeren Sinne temperaturabhängig die Längenänderung einer Probe unter vernachlässigbarer Kraftbelastung ermittelt wird (z. B. Kraft von maximal 0,5 N). Darüber hinaus kommt z. B. auch eine Anwendung im Rahmen einer DMA (Dynamisch-mechanische Analyse) in Betracht. Die DMA zielt primär darauf ab, eine Deformationskraft an einer Probe als Funktion der Temperatur und/oder Zeit unter definierter dynamisch-mechanischer Deformation zu messen.A preferred application of the method according to the invention is the so-called dilatometry, a special type of TMA in which, in the narrower sense, the change in length of a sample under negligible force load is determined (eg force of a maximum of 0.5 N). In addition, z. As an application in the context of a DMA (Dynamic Mechanical Analysis) into consideration. The DMA primarily aims to measure a deformation force on a sample as a function of temperature and / or time under defined dynamic mechanical deformation.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist eine Vorrichtung zur thermomechanischen Analyse einer Probe eines Materials vorgesehen, umfassend
- eine Probenaufnahme zum Aufnehmen der Probe,
- eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der Probe gemäß eines modulierten Temperaturprogrammes,
- eine Temperaturmesseinrichtung zur Messung einer Temperatur der Probe im Verlauf der Temperierung,
- eine Längenmesseinrichtung zur Messung einer Längenänderung der Probe im Verlauf der Temperierung,
- eine Datenaufzeichnungseinrichtung zum Aufzeichnen von Daten, die repräsentativ für die Längenänderung der Probe im Verlauf der Temperierung sind, und von Daten, die repräsentativ für die Änderung der Temperatur der Probe im Verlauf der Temperierung sind,
- eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine reversible Komponente der Längenänderung und/oder eine reversible Komponente des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Probe zu ermitteln und eine korrigierte reversible Komponente der Längenänderung und/oder des thermischen Ausdehnungskoeffizienten mittels eines Korrekturparameters zu berechnen, der unter Verwendung eines aus den Daten ermittelten Verhältnisses eines eine totale Längenänderung charakterisierenden Parameters und eines die reversible Komponente der Längenänderung charakterisierenden Parameters berechnet wird,
- a sample receptacle for receiving the sample,
- a tempering device for tempering the sample according to a modulated temperature program,
- a temperature measuring device for measuring a temperature of the sample in the course of tempering,
- a length measuring device for measuring a change in length of the sample in the course of tempering,
- a data recorder for recording data representative of the change in length of the sample during the course of the temperature control and of data representative of the change in the temperature of the sample during the course of the temperature control Tempering are,
- an evaluation device, which is designed to determine a reversible component of the change in length and / or a reversible component of the coefficient of thermal expansion of the sample and to calculate a corrected reversible component of the change in length and / or the thermal expansion coefficient by means of a correction parameter using an off the ratio of a parameter characterizing a total change in length and a parameter characterizing the reversible component of the change in length is calculated,
Die für das erfindungsgemäße Analyseverfahren beschriebenen besonderen Ausführungsformen und Weiterbildungen können, einzeln oder in beliebiger Kombination, in analoger Weise auch als besondere Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung vorgesehen werden.The particular embodiments and developments described for the analysis method according to the invention can be provided, individually or in any combination, in an analogous manner as special embodiments or developments of the analysis device according to the invention.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, umfassend einen Programmcode, der auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt ein Analyseverfahren der hier beschriebenen Art durchführt. Ein derartiges Computerprogrammprodukt kann insbesondere zur Programmierung bzw. zur Ablaufsteuerung einer in der erfindungsgemäß vorgesehenen Analyseeinrichtung enthaltenen Steuereinheit eingesetzt werden.According to a further aspect of the invention, a computer program product is provided, comprising a program code which carries out an analysis method of the type described here on a data processing device. Such a computer program product can be used in particular for programming or for sequence control of a control unit contained in the analysis device provided according to the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
- Fig. 1
- ein Diagramm zur Veranschaulichung einer linaren Temperaturänderung und der Messung einer dadurch bewirkten Längenänderung an einer Probe,
- Fig. 2
- ein Diagramm zur Veranschaulichung einer sinusförmigen Temperaturänderung und der Messung einer dadurch bewirkten Längenänderung an der Probe,
- Fig. 3
- ein Diagramm zur Veranschaulichung eines modulierten Temperaturprogrammes, zusammengestzt aus einer linaren Temperaturänderung (
Fig. 1 ) und einer Temperaturmodulation (Fig. 2 ), und der Messung einer dadurch bewirkten Längenänderung an der Probe, - Fig. 4
- ein Diagramm zur Veranschaulichung des Ergebnisses einer thermomechanischen Analyse gemäß eines ersten Beispiels (Probe aus Metall),
- Fig. 5
- ein Diagramm zur Veranschaulichung des Ergebnisses einer thermomechanischen Analyse gemäß eines zweiten Beispiels (Probe aus Keramik),
- Fig. 6
- ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Zwischenergebnisses einer thermomechanischen Analyse gemäß eines dritten Beispiels (Probe aus Keramik),
- Fig. 7
- ein Diagramm zur Veranschaulichung des Ergebnisses der thermomechanischen Analyse gemäß des dritten Beispiels, und
- Fig. 8
- eine Vorrichtung zur thermomechanischen Analyse einer Probe gemäß eines Ausführungsbeispiels.
- Fig. 1
- a diagram for illustrating a linear temperature change and the measurement of a change in length caused thereby on a sample,
- Fig. 2
- a diagram for illustrating a sinusoidal temperature change and the measurement of a change in length caused thereby, at the sample,
- Fig. 3
- a diagram illustrating a modulated temperature program, composed of a linear temperature change (
Fig. 1 ) and a temperature modulation (Fig. 2 ), and the measurement of a change in length caused thereby, - Fig. 4
- 3 is a diagram illustrating the result of a thermomechanical analysis according to a first example (metal sample);
- Fig. 5
- a diagram illustrating the result of a thermomechanical analysis according to a second example (sample of ceramic),
- Fig. 6
- FIG. 4 is a diagram illustrating an intermediate result of a thermomechanical analysis according to a third example (ceramic sample); FIG.
- Fig. 7
- a diagram illustrating the result of the thermomechanical analysis according to the third example, and
- Fig. 8
- a device for thermomechanical analysis of a sample according to an embodiment.
Die
Insofern entspricht dieses Beispiel dem bereits beschriebenen Beispiel gemäß
Des weiteren sind in
Schließlich ist in
Da der zeitabhängige Verlauf der Temperatur T, also das "Temperaturprogramm" bekannt ist, lassen sich die gemäß
Die Ermittlung des Korrekturparameters k ist in diesem Beispiel völlig unproblematisch, da die Probe im Verlauf des modulierten Temperaturprogrammes keinem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt.The determination of the correction parameter k is completely unproblematic in this example, since the sample is not subject to any thermally induced conversion process in the course of the modulated temperature program.
Die Erfindung zielt jedoch darauf ab, die Berechnung einer korrigierten reversiblen Komponente der Längenänderung dLrev-corr und/oder einer korrigierten reversiblen Komponente des thermischen Ausdehnungskoeffizienten αrev-corr auch dann zu ermöglichen, wenn die Probe einem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt. Ein Beispiel hierfür zeigt
Eine Besonderheit dieses Beispiels besteht darin, dass das Temperaturprogramm ein erstes Segment S1 mit einer ersten Basisheizrate β1 (hier z. B. ca. 5 K/min) besitzt und der Korrekturparameter k anhand von Daten aus diesem ersten Segment S1 berechnet wird, und dass das Temperaturprogramm ein zweites Segment S2 mit einer zweiten Basisheizrate β2 (hier z. B. ca. 5 K/min) besitzt und für eine Berechnung der korrigierten reversiblen Komponente dLrev-corr der Längenänderung dL im zweiten Segment S2 der anhand der Daten aus dem ersten Segment S1 temperaturabhängig berechnete Korrekturparameter k verwendet wird.A special feature of this example is that the temperature program has a first segment S1 with a first base heating rate β1 (here, for example, about 5 K / min), and the correction parameter k is calculated on the basis of data from this first segment S1, and the temperature program has a second segment S2 with a second base heating rate β2 (here, for example, about 5 K / min), and for a calculation of the corrected reversible component dL rev-corr the change in length dL in the second segment S2 based on the data from the first segment S1 temperature-dependent calculated correction parameter k is used.
Der in dem hierfür geeigneten (mangels thermisch bedingtem Umwandlungsprozess) Segment S1 des Temperaturprogramms berechnete Korrekturparameter k wird gewissermaßen in das sich zu höheren Temperaturen hin anschließende zweite Segment S2 hinein extrapoliert (und dort zur Berechnung der Verläufe von dLrev-corr und αrev-corr verwendet).The correction parameter k calculated in the (for lack of thermally induced conversion process) segment S1 of the temperature program calculated for this purpose is to a certain extent extrapolated into the second segment S2 which adjoins to higher temperatures (and there to calculate the gradients of dL rev-corr and α rev-corr used).
Beispielsweise könnte der als ein Ergebnis der im ersten Segment S1 durchgeführten Korrekturparameterberechnung für das Ende des ersten Segmentes S1 (also bei etwa t = 128 min bzw. T = 460°C) erhaltene Wert von k als der über das gesamte zweite Segment S2 für die Korrektur zu verwendende Korrekturparameter k vorgesehen werden. Bevorzugt wird jedoch als ein Ergebnis der im ersten Segment S1 durchgeführten Korrekturparameterberechnung eine den im ersten Segment S1 sich ergebenden temperaturabhängigen Verlauf des Korrekturparameters k beschreibende mathematische Funktion modelliert, um sodann durch Einsetzen der im zweiten Segment herrschenden Temperaturen in diese Funktion den temperaturabhängigen Korrekturparameter zur Korrektur im zweiten Segment S2 zu erhalten (Extrapolation).
Dies erlaubt vorteilhaft die Korrektur der reversiblen Größen auch im zweiten Segment S2, obwohl dort die Probe dem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt.For example, the value of k obtained as the result of the correction parameter computation performed in the first segment S1 for the end of the first segment S1 (ie at about t = 128 min or T = 460 ° C) than that over the entire second segment S2 for the Correction parameters k to be corrected are to be provided. However, as a result of the correction parameter calculation carried out in the first segment S1, a mathematical function describing the temperature-dependent course of the correction parameter k resulting in the first segment S1 is preferably modeled, in order then to insert the temperatures prevailing in the second segment into it Function to obtain the temperature-dependent correction parameter for correction in the second segment S2 (extrapolation).
This advantageously permits the correction of the reversible variables also in the second segment S2, although there the sample is subject to the thermally induced conversion process.
Abweichend vom dargestellten Beispiel, bei welchem die Basisheizraten β1, β2 der Segmente S1, S2 gleich groß gewählt sind (β1 = β2= 5 K/min), könnte eine etwaige Verfälschung der auf das Segment S2 durch "Extrapolation" ausgedehnten Korrektur aufgrund einer Temperaturabhängigkeit des Korrekturparameters k noch reduziert bzw. vermieden werden, indem die im zweiten Segment S2 verwendete Basisheizrate β2 vergleichsweise klein (oder sogar zu β2=0) gewählt wird.In contrast to the illustrated example, in which the base heating rates β1, β2 of the segments S1, S2 are selected to be equal (β1 = β2 = 5 K / min), any distortion of the correction extended to the segment S2 by "extrapolation" could be due to a temperature dependence of the correction parameter k can be reduced or avoided by selecting the base heating rate β2 used in the second segment S2 to be comparatively small (or even to β2 = 0).
Im in
Die
Im ersten modulierten Segment S1 besitzt das Temperaturprogramm eine erste Basisheizrate β1 von ca. 5 K/min, so dass die gemittelte Temperatur Tavg ausgehend von etwa 315°C linear bis etwa 1225°C ansteigt.In the first modulated segment S1, the temperature program has a first base heating rate β1 of about 5 K / min, so that the averaged temperature T avg increases linearly from about 315 ° C to about 1225 ° C.
Im zweiten Segment S2 ist eine wesentlich kleinere, zweite Basisheizrate β2 von ca. 0,1 K/min vorgesehen, so dass die gemittelte Temperatur Tavg ausgehend von etwa 1225°C (Endtemperatur des ersten Segmentes S1) linear nurmehr um etwa 10°C auf etwa 1235°C ansteigt.In the second segment S2 a much smaller, second base heating rate β2 of about 0.1 K / min is provided so that the average temperature T avg, starting from about 1225 ° C (final temperature of the first segment S1) linearly only by about 10 ° C. rises to about 1235 ° C.
Die hier untersuchte Probe zeigt im Verlauf des Temperaturprogrammes mehrere thermisch bedingte Umwandlungsprozesse, nämlich bei Temperaturen um etwa 500°C, 945°C und 1130°C. Während die ersten beiden "Effekte" (bei 500°C und 945°C) somit im ersten Segment S1 liegen, erstreckt sich der letztere Effekt (bei 1130°C) über die Grenze zwischen den beiden Segmenten S1, S2 hinweg. Der Effekt beginnt bereits bei etwa 1130°C und endet bei 1225°C noch nicht.During the course of the temperature program, the sample investigated here shows several thermally induced transformation processes, namely at temperatures of around 500 ° C, 945 ° C and 1130 ° C. Thus, while the first two "effects" (at 500 ° C and 945 ° C) are in the first segment S1, the latter effect (at 1130 ° C) extends beyond the boundary between the two segments S1, S2. The effect starts at about 1130 ° C and does not end at 1225 ° C.
Für die Berechnung der korrigierten reversiblen Komponente dLrev-corr (siehe
Der Korrekturparameter k wurde hier wieder in Form einer Schätzung der temperaturabhängigen Funktion des Verhältnisses des totalen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αtotal und des reversiblen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αrev berechnet, wobei diese Ausdehnungskoeffizienten aus den im Bereich [100 min, 130 min] bzw. [315°C, 470°C] unmittelbar gemessenen bzw. vorbekannten Daten (Tavg, ΔT, L, dL) erhalten wurden. Als Schätzfunktion kann z. B. im einfachsten Fall eine lineare Funktion verwendet werden (Änderung von k proportional zu Änderung der Temperatur). Abweichend davon könnten jedoch auch kompliziertere Schätzfunktionen, z. B. Polynome mindestens 2. Grades, verwendet werden.The correction parameter k was calculated here again in the form of an estimate of the temperature-dependent function of the ratio of the total thermal expansion coefficient α total and the reversible coefficient of thermal expansion α rev , these coefficients of expansion being in the range of [100 min, 130 min] and [315 ° C , 470 ° C] directly measured or known data (T avg , ΔT, L, dL) were obtained. As estimation z. B. in the simplest case a linear function can be used (change of k proportional to change in temperature). Deviating from this, however, could also be complicated estimators, z. As polynomials at least 2nd degree, can be used.
Der in dieser Weise als temperaturabhängige Funktion berechnete Korrekturparameter k wird vorteilhaft jedoch nicht nur für die beabsichtigte Korrektur im Bereich [100 min, 130 min] bzw. [315°C, 470°C] verwendet, sondern (durch Extrapolation) über das gesamte modulierte Temperaturprogramm, also [100 min, 400 min] bzw. [315°C, 1235°C]. Abweichend vom beschriebenen Beispiel (
Ebenfalls abweichend vom beschriebenen Beispiel (
Gemäß der oben beschriebenen Analyseverfahren ist vorteilhaft gleichzeitig eine Analyse für dynamische Segmente (Heizrate β1 größer oder kleiner als 0) und isotherme Segmente (β2=0), oder nahezu isotherme Segmente (β2<β1 bzw. β2<<β1) möglich.According to the analysis methods described above, an analysis for dynamic segments (heating rate β1 greater or smaller than 0) and isothermal segments (β2 = 0) or nearly isothermal segments (β2 <β1 or β2 << β1) is advantageously possible simultaneously.
Die gemäß der Erfindung vorgesehenen temperaturmodulierten Messungen können vorteilhaft bis in einen relativ hohen Temperaturbereich hinein ausgedehnt werden, z. B. bis zu betriebsmäßig durch das Temperaturprogramm angefahrenen Endtemperaturen von Tavg größer als 1000°C, insbesondere größer als 2000°C, so dass eine mögliche Anwendung z. B. die Analyse bzw. Charakterisierung des Sinterverhaltens von Keramiken ist.The temperature-modulated measurements provided according to the invention can advantageously be extended into a relatively high temperature range, e.g. B. up to operationally approached by the temperature program end temperatures of T avg greater than 1000 ° C, in particular greater than 2000 ° C, so that a possible application z. B. is the analysis or characterization of the sintering behavior of ceramics.
Eine für ein dynamisches Segment (β≠0) des Temperaturprogrammes mittels eines Korrekturparameters k durchgeführte Kalibrierung der Messung reversibler Materialparameter (wie dLrev und αrev) kann vorteilhaft für ein oder mehrere andere Segmente, insbesondere z. B. für ein unmittelbar vorausgehendes oder ein unmittelbar nachfolgendes Segment (insbesondere z. B. mit relativ kleinem oder sogar als 0 gewähltem β) in der Berechnung des Analyseergebnisses berücksichtigt werden.A calibration of the measurement of reversible material parameters (such as dL rev and α rev ) performed for a dynamic segment (β ≠ 0) of the temperature program by means of a correction parameter k can be advantageous for one or more other segments, in particular z. B. for an immediately preceding or an immediately following segment (in particular, for example, with a relatively small or even as 0 selected β) are taken into account in the calculation of the analysis result.
Ein Teil der Vorrichtungkomponenten sind in
Bei der Messung wird die Längenänderung (hier z. B. resultierend aus einer temperaturmodulierten Erwärmung oder Abkühlung der Probe P im Ofen 3) in einer Richtung gemessen, die nachfolgend als Längsrichtung bezeichnet wird und in
Während der Längen(änderungs)messung wird die vom Probenhalter 1 aufgenommene Probe P gemäß eines modulierten Temperaturprogrammes (z. B. der bereits beschriebenen Art) temperiert und die auf die Probe ausgeübte Kraft auf einen vorbestimmten konstanten Wert geregelt.During the length (change) measurement, the sample P received by the
Die Vorrichtung 10 umfasst einen Fühlstempel 12, welcher bei der Messung mit einem Fühlstempelende 14 die vorbestimmte Kraft (hier: Druckkraft) auf die Probe P ausübt.The
Das Material des Fühlstempels sollte bei dieser Anwendung eine möglichst geringe oder zumindest gut definierte thermische Ausdehnung besitzen, so dass diese thermische Ausdehnung das Messergebnis wenig beeinflusst bzw. im Rahmen eines Steuerprogrammes und/oder einer nachfolgenden Auswertung entsprechend berücksichtigt werden kann. Analoges gilt für das Material der Fühlstempelaufnahme.The material of the Fühlstempels should have the lowest possible or at least well-defined thermal expansion in this application, so that this thermal expansion affects the measurement result little or can be considered accordingly within a control program and / or a subsequent evaluation. The same applies to the material of the feeler recording.
Die Vorrichtung 10 umfasst des Weiteren eine Messeinrichtung 20, an welcher der Fühlstempel 12 angebracht ist und mittels welcher bei der Messung die aus der Längenänderung der Probe P in Längsrichtung A resultierende Bewegung des Fühlstempels 12 gemessen wird. Die Messeinrichtung 20 umfasst:
eine stationäre Basis 22, die im dargestellten Beispiel ein erstes Basisteil 22-1 (z. B. zum Haltern desOfens 3 bezüglich der Messeinrichtung 20) und ein zweites, langgestreckt in Längsrichtung A sich erstreckendes Basisteil 22-2 umfasst,- eine an der stationären
Basis 22über eine Führungseinrichtung 24 in Längsrichtung A relativ zur stationärenBasis 22 bewegbar gelagerte Fühlstempelaufnahme 26, an welcher der Fühlstempel 12 im dargestellten Beispiel mittels einer Schraubklemme 28 befestigt ist, - eine ansteuerbare Antriebseinrichtung 30 zum Antreiben der Fühlstempelaufnahme 26 in Längsrichtung A relativ zur stationären
Basis 22, eine Kraftmesseinrichtung 32 zum Erfassen der vom Fühlstempel 12 auf die Probe P ausgeübten Kraft,- eine Steuereinrichtung ST, die dazu ausgebildet ist, die
Antriebseinrichtung 30 abhängig von der mittels der Kraftmesseinrichtung 32 erfassten Kraft gemäß der vorbestimmten Kraftbelastung anzusteuern, und einen Wegaufnehmer 34 zur Messung der Bewegung des Fühlstempels 12 in Längsrichtung A relativ zurBasis 22.
- a
stationary base 22, which in the illustrated example comprises a first base part 22-1 (eg for holding thefurnace 3 with respect to the measuring device 20) and a second, elongated longitudinal part A extending base part 22-2, - a sensing-stamp receiving means 26 movably mounted on the
stationary base 22 via a guide means 24 in the longitudinal direction A relative to thestationary base 22, to which thesensing punch 12 is fastened by means of ascrew clamp 28 in the example shown, - a
controllable drive device 30 for driving the feeler diereceptacle 26 in the longitudinal direction A relative to thestationary base 22, - a
force measuring device 32 for detecting the force exerted on the sample P by thefeeler 12, - a control device ST, which is designed to control the
drive device 30 as a function of the force detected by theforce measuring device 32 in accordance with the predetermined force load, and - a
displacement sensor 34 for measuring the movement of thefeeler plunger 12 in the longitudinal direction A relative to thebase 22.
Die Funktion der dargestellten Vorrichtung 10 lässt sich wie folgt beschreiben:
- Ausgehend von der in
Fig. 8 dargestellten Situation, bei welcher die Probe P bereits amProbenhalter 1im Ofen 3 angeordnet ist undam dem Probenhalter 1 abgewandtenEnde vom Fühlstempelende 14 kontaktiert wird, wird mittels eines in der Steuereinrichtung ST ablaufenden Steuerprogrammes ein "TMA-Messprogramm" durchgeführt, welches darin besteht, die Probe P gemäß des Temperaturprogrammes aufzuheizen, die Probe P hierbei mittels des Fühlstempels 12 gemäß der Kraftvorgabe (hier: zeitunabhängige Druckkraft) vorzubelasten und die sich im zeitlichen Verlauf daraus ergebende Längenänderung der Probe P in Längsrichtung A zu messen.
- Starting from the in
Fig. 8 the situation in which the sample P is already arranged on thesample holder 1 in theoven 3 and contacted at the end remote from theprobe holder end 14, a "TMA measuring program" is performed by means of a running in the control device ST control program, which therein In this case, the sample P is heated according to the temperature program, the sample P is preloaded by means of thefeeler 12 in accordance with the force specification (here: time-independent compressive force) and the length change of the sample P in the longitudinal direction A is measured.
Die Steuereinrichtung ST ist hierfür über Steuerleitungen L1, L2, L3 und L4 mit entsprechenden Vorrichtungskomponenten verbunden: Die Leitung L1 dient zur Übertragung eines Temperierungssteuersignals an den Ofen 3 bzw. eine darin integrierte Temperierungseinrichtung (z. B. elektrische Heizung). Außerdem kann über die Leitung L1 eine Rückübertragung eines z. B. mittels eines Thermoelementes an der Probe P gemessenen Temperatursignals an die Steuereinrichtung ST erfolgen. Die Leitung L2 dient zur Übertragung eines Kraftmesssignals (Messwert der auf die Probe P ausgeübten Kraft) von der Kraftmesseinrichtung 32 zur Steuereinrichtung ST. Die Leitung L3 dient zur Übertragung eines Antriebssteuersignals zur Antriebseinrichtung 30. Die Leitung L4 dient zur Übertragung eines von dem Wegaufnehmer 34 ausgegebenen Wegmesssignals.For this purpose, the control device ST is connected to corresponding device components via control lines L1, L2, L3 and L4. The line L1 serves to transmit a temperature control signal to the
Insbesondere das z. B. über die Leitung L1 übertragene zeitabhängige Temperatursignal (repräsentativ für die Temperatur T) sowie das über die Leitung L4 übertragene zeitabhängige Längenänderungssignal (repräsentativ für z. B. für die absolute Längenänderung dL) wird in der Steuereinrichtung ST gespeichert, um für eine entsprechende Auswertung nach Abschluss der Messung zur Verfügung zu stehen.In particular, the z. B. transmitted over the line L1 time-dependent temperature signal (representative of the temperature T) as well as the transmitted over the line L4 time-dependent length change signal (representative of z., For the absolute change in length dL) is stored in the control device ST to a corresponding evaluation after completion of the measurement.
Während der Messung steuert die Steuereinrichtung ST mittels einer Ansteuerung der Antriebseinrichtung 30 die mittels des Fühlstempels 12 auf die Probe P ausgeübte Kraft. Dies funktioniert wie folgt: Der Fühlstempel 12 ist wie bereits erwähnt mittels der Schraubklemme 28 an der Fühlstempelbasis 26 angebracht, so dass eine entsprechende Belastung bzw. Verstellung der Fühlstempelaufnahme 26 unmittelbar auf den Fühlstempel 12 und somit weiter auf die Probe P überträgt.During the measurement, the control device ST controls the force exerted on the sample P by means of the
Die Fühlstempelaufnahme 26 wird im dargestellten Beispiel nicht unmittelbar von der Antriebseinrichtung 30 angetrieben. Vielmehr ist die Fühlstempelaufnahme 26 wie in
Demnach kann die aus dem Schlitten 24-1, der Fühlstempelaufnahme 26 und dem dazwischen angeordneten elastischen Körper 32-1 gebildete Einheit auch als antreibbare "Fühlstempelbasis" bezeichnet werden, welche an der stationären Basis 22 über die Führungseinrichtung 24 in Längsrichtung A relativ zur stationären Basis 22 bewegbar gelagert ist und an welcher der Fühlstempel 12 befestigt (oder befestigbar) ist. Angetrieben wird die Fühlstempelbasis 24-1, 26, 32-1 in Längsrichtung A relativ zur stationären Basis 22 wie erläutert durch die ansteuerbare Antriebseinrichtung 30.Thus, the unit formed from the carriage 24-1, the feeler stem
Der elastische Körper 32-1 bildet zusammen mit einem (in der Figur nicht dargestellten) an der Leitung L2 angeschlossenen Dehnungsmessstreifen (z. B. an einer Außenfläche des elastischen Körpers 32-1 angebracht) die Kraftmesseinrichtung 32.The elastic body 32-1 forms the
Insbesondere wenn der elastische Körper 32-1 aus einem metallischen Material gebildet ist, so kann anstelle eines Vollmaterials ein z. B. zumindest in einem zentralen Bereich ausgespartes Material eingesetzt werden, wie dies in
Mittels der Kraftmesseinrichtung 32 wird während der Messung die tatsächlich auf die Probe P ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und bevorzugt als Analog/Digital-gewandeltes Signal über die Leitung L2 der Steuereinrichtung ST zugeführt (oder in der Steuereinrichtung Analog/Digital-gewandelt).By means of the
In der Steuereinrichtung ST ist auch die z. B. durch eine entsprechende Benutzereingabe vorgegebene Kraftbelastung, d. h. die auf die Probe P auszuübende Kraft ("Soll-Wert") gespeichert. Mittels des in der Steuereinrichtung ST ablaufenden Steuerprogrammes wird der gemessene "Ist-Wert" der Kraft durch entsprechende Ansteuerung der Antriebseinrichtung 30 auf den durch die vorgegebene Kraftbelastung vorgegebenen "Soll-Wert" geregelt. Vorteilhaft führt eine in der Praxis unvermeidliche Reibung im Bereich der Führungseinrichtung 24 (zwischen Schlitten 24-1 und Führungsschiene 24-2) nicht zu einer entsprechenden Verfälschung der Kraftmessung.In the controller ST is also the z. B. by a corresponding user input predetermined force load, d. H. the force to be applied to the sample P ("target value") is stored. By means of the running in the control device ST control program, the measured "actual value" of the force is controlled by appropriate control of the drive means 30 to the predetermined by the predetermined force load "target value". Advantageously, a friction which is unavoidable in practice in the region of the guide device 24 (between the slide 24-1 and the guide rail 24-2) does not lead to a corresponding falsification of the force measurement.
Ebenso führt die simultan durchgeführte Messung der Längenänderung der Probe P im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht zu einer Verfälschung der Kraftmessung. Die Messung der Längenänderung ist im dargestellten Beispiel wie folgt realisiert: An der Fühlstempelaufnahme 26, deren Bewegung in Längsrichtung A der zu messenden Längenänderung der Probe P entspricht, ist ein Maßstabsträger 34-1 mit davon ausgebildetem oder im dargestellten Beispiel daran angebrachtem (z. B. aufgeklebtem) Maßstab 34-2 angebracht, so dass die Längenänderung der Probe P sich in eine entsprechende Verschiebung des Maßstabes 34-2 überträgt, welche somit in einfacher Weise gemessen werden kann.Likewise, the simultaneous measurement carried out the change in length of the sample P in the illustrated embodiment does not lead to a distortion of the force measurement. In the example shown, the measurement of the change in length is realized as follows: A scale carrier 34-1 with a trained therefrom or in the example shown attached thereto (for example, the movement in the longitudinal direction A corresponds to the change in length of the sample P to be measured Glued scale) 34-2 attached so that the change in length of the sample P transmits in a corresponding displacement of the scale 34-2, which can thus be measured in a simple manner.
Zu diesem Zweck umfasst der Wegaufnehmer 34 des Weiteren einen stationär gehaltenen optischen Sensor 34-3 zur Messung der Relativverschiebung zwischen diesem Sensor 34-3 und dem Maßstab 34-2. Der Maßstab 34-2 ist hierfür z. B. mit äquidistant über seine Länge verteilten Strichmarkierungen versehen bzw. ausgebildet, welche beim Vorbeilaufen des Maßstabes 34-2 mittels des optischen Sensors 34-3 und einer daran angeschlossenen (oder darin integrierten) Linearencoderelektronik erfasst werden, um ein für die Längenänderung der Probe P repräsentatives Messsignal zu erhalten (Die Anzahl der erfassten Markierungen ist ein Maß für die Längenänderung). Dieses Messignal wird über die Leitung L4 zur Steuereinrichtung ST zugeführt und dort für eine spätere Auswertung als zeitabhängiges Probenlängesignal digital gespeichert.For this purpose, the
Die Linearencoderelektronik kann z. B. im Bereich des optischen Sensors 34-3 oder alternativ im Bereich der Steuereinrichtung ST angeordnet sein.The linear encoder electronics can z. B. in the region of the optical sensor 34-3 or alternatively be arranged in the region of the control device ST.
Das stationäre Halten des optischen Sensors 34-3 ist im dargestellten Beispiel durch einen Halter 34-4 bewerkstelligt, welcher einerseits mit dem Sensor 34-3 verbunden (hier: verschraubt) und andererseits mit der Basis 22 verbunden (hier: verschraubt) ist.The stationary holding of the optical sensor 34-3 is accomplished in the example shown by a holder 34-4, which on the one hand connected to the sensor 34-3 (here: screwed) and on the other hand connected to the base 22 (here: screwed).
Mittels der dargestellten Vorrichtung 10 lässt sich somit vorteilhaft im Rahmen einer TMA-Analyse die Längenänderung der in Längsrichtung A vorbestimmt kraftbelasteten Probe P messen, wobei die aus der Längenänderung der Probe P in Längsrichtung A resultierende Bewegung des Fühlstempels 12 berührungslos gemessen wird, wobei ein Antreiben der Fühlstempelbasis 24-1, 26, 32-1, an welcher der Fühlstempel 12 befestigt ist, in Längsrichtung A relativ zur stationären Basis 22 erfolgt, und wobei dieses Antreiben mittels der Steuersoftware abhängig von der durch den Fühlstempel 12 auf die Probe P ausgeübten und mittels der Kraftmesseinrichtung 32 erfassten Kraft gemäß der vorbestimmten Kraftbelastung erfolgt (Kraftregelung).By means of the illustrated
Mittels der in der Steuereinrichtung ST ablaufenden Software werden die aufgezeichneten Daten einer Auswertung unterzogen, um temperaturabhängige Verläufe der reversiblen und der nichtreversiblen Komponenten der Längenänderung dL (bzw. dL/L) bzw. des thermischen Ausdehnungskoeffizienten α ermitteln. Durch entsprechende Ausgestaltung dieser Software lassen sich insbesondere die weiter oben für das Analyseverfahren beschriebenen Ausführungsformen und Weiterbildungen realisieren.By means of the software running in the control device ST, the recorded data are subjected to an evaluation in order to determine temperature-dependent profiles of the reversible and non-reversible components of the change in length dL (or dL / L) or of the thermal expansion coefficient α. By appropriate design of this software, in particular, the embodiments and developments described above for the analysis method can be realized.
Claims (12)
und dass das Temperaturprogramm ein zweites Segment (S2) mit einer zweiten Basisheizrate (β2) besitzt und für eine Berechnung der korrigierten reversiblen Komponente (dLrev-corr; αrev-corr) der Längenänderung (dL) und/oder des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α) im zweiten Segment (S2) der anhand der Daten aus dem ersten Segment (S1) berechnete Korrekturparameter (k) verwendet wird.A method of thermomechanical analysis of a sample (P) of a material comprising
and in that the temperature program has a second segment (S2) with a second base heating rate (β2) and for a calculation of the corrected reversible component (dL rev-corr ; α rev-corr ) the change in length (dL) and / or the thermal expansion coefficient (α ) in the second segment (S2) the correction parameter (k) calculated on the basis of the data from the first segment (S1) is used.
und dass die Auswerteeinrichtung (ST) dazu ausgebildet ist, den Korrekturparameter (k) anhand von Daten aus dem ersten Segment (S1) temperaturabhängig aus einer Schätzung einer temperaturabhängigen Funktion des genannten Verhältnisses in einem Bereich des ersten Segmentes (S1) zu berechnen, in welchem die Probe (P) keinem thermisch bedingten Umwandlungsprozess unterliegt, und für eine Berechnung der korrigierten reversiblen Komponente (dLrev-corr; αrev-corr) der Längenänderung (dL) und/oder des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α) im zweiten Segment (S2) den anhand der Daten aus dem ersten Segment (S1) berechneten Korrekturparameter (k) zu verwenden.Apparatus (10) for thermomechanical analysis of a sample (P) of a material comprising
and in that the evaluation device (ST) is designed to calculate the correction parameter (k) on the basis of data from the first segment (S1) as a function of temperature from an estimate of a temperature-dependent function of said ratio in a region of the first segment (S1) in which the sample (P) is not subject to a thermally induced transformation process, and for a calculation of the corrected reversible component (dL rev-corr ; α rev-corr ) the change in length (dL) and / or the thermal expansion coefficient (α) in the second segment (S2) to use the correction parameter (k) calculated from the data from the first segment (S1).
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